Карст и объекты энергетики

Карст и объекты энергетики М. А. Харькина, кандидат геолого-минералогических наук Термин «карст» происходит от названия плато Карст в Югославии, где подобные явления типичны и давно изучаются европейскими исследователями. Существует несколько определений карста. Наиболее полной и доходчивой формулировкой является определение А. Ф. Якушовой: «процесс растворения или выщелачивания и отчасти размыва трещиноватых растворимых горных пород движущимися водами и связанное с ним образование специфических... форм рельефа на поверхности земли и различных пустот, каналов и пещер в глубине». Присутствие в природных водах различных солей и углекислоты существенно влияет на растворимость горных пород. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты значительно лучше, чем химически чистая. Наличие в подземных водах хлористого натрия повышает растворимость гипса в 2. 5-3. 5 раза, а присутствие сернокислотного магния понижает его растворимость до нуля. Взаимодействие этих сложных природных растворов с трещиноватыми горными породами и приводит к образованию специфических карстовых форм. Типы карстовых форм рельефа и причины их образования рельефа Геологические причины их образования ностные Пере- ходные Подзем- ные карры поноры воронки котло- вины полья мосты и арки карстовые останцы и рвы навесы исчезаю- щие реки слепые и полусле- пые долины чезающие озера пропасти каналы гроты выщелачивание атмосферными водами выщелачивание в узлах пересечения трещин покровных отложений в колодцы и полости слияние воронок; обру- нерастворимой породы; и котловин щерных тоннелей и ниш выборочное разрушение ванных массивов вдоль трещин выщелачивание дирующее действие вод периодическая фильтра- кальматированные шла- мом разрушение и размыв карстовых шахт обрушение; выщелачива- ние подземными пресны- ми водами; воздействие минеральных и термаль- растворение пород под- земными водами вдоль подземная эрозия растворение;эрозия Для карста характерны отрицательные формы рельефа. По морфологическим признакам выделяются поверхностные (воронки, котловины, мосты, арки, ущелья, желоба и рвы), переходные (навесы, ниши, колодцы, шахты) и подземные (пропасти, пещеры, каналы) формы (табл. 1). Карстовые формы рельефа развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли. На поверхности и в глубине карст представляет собой взаимосвязанный единый процесс. материках карст занимает площадь от 30 (Европа) до 10 719 (Азия) тыс. км2. В северном полушарии располагаются 88% закарстованных территорий мира, в южной — 12%. защиты. Необходимо изучить природные факторы карстообразования: состав пород, условия их залегания, тектонические нарушения, историю развития рельефа, формирования и движения подземных вод, а также степень их изменения при техногенных воздействиях. Исследование этих геологических характеристик позволило установить общие закономерности условий строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений на закарстованных территориях. Так, в областях развития карста в массивах галоидных пород гидротехническое строительство не рекомендуется из-за возможного их растворения и в целом резкой активизации карстового процесса. В областях развития мелового карста строительство гидроэнергетических сооружений не вызывает больших затруднений, хотя при эксплуатации гидроузлов несущая способность пород может значительно снизиться из-за их перехода в текучее состояние при динамических нагрузках. В областях развития карбонатного карста неприятности также начинаются в период эксплуатации сооружений, но связаны они будут с другими причинами — медленным ростом карстовых полостей и выносом их заполнителя фильтрационными потоками. Следует отметить, что эти особенности влияния инженерно-геологических условий закарстованных территорий на устойчивость сооружений не распространяются на другие виды строительства. Например, подземные резервуары для хранения углеводородов (природного газа) предпочтительно сооружать в областях развития галогенных формаций, отличающихся низкой проницаемостью и приемлемыми физико-механическими свойствами. Соляной карст здесь не препятствует строительству, так как обычно имеет исключительно поверхностные формы или развит только на контактах с другими геологическими структурами. строительства во избежание негативных последствий активизации карста (табл. 2) предпочитают «уйти» с закарстованных территорий. В силу экономических соображений это не всегда удается, и тогда приходится приспосабливать компоновку гидроузлов к закарстованным массивам с целью обеспечения их устойчивости и нормальных условий эксплуатации. Удачным примером такого приспособления являются результаты инженерно-геологических работ для проекта Павловской ГЭС на реке Уфа. В результате крупномасштабной геологической съемки специалисты пришли к выводу, что «ядро» левобережного водораздельного карбонатного массива не закарстовано, а следовательно, уровень подземных вод там будет выше проектируемого напорного уровня водохранили ща, поэтому утечки из водохранилища в соседнюю долину реки Ямал-Янги происходить не будут. Этот прогноз в дальнейшем был подтвержден результатами бурения и режимными наблюдениями. Таблица 2 процессов при создании гидроэнергетических комплексов гетический комплекс Высота плотины, м основания Год строи- последствия Хэлс Бар, США 34 известняки 1905-1913 Не удалось заполнить водохранилище Испания 103 известняки 1920 Увеличение глубины заложения плотины на 4-7 м Монте-Ха- ка, Испания 72 1924 Не удалось заполнить водохранилище Докан, Ирак 111 долмиты, 1958 Укрепительная цементация основания Аустин, США 18. 3 гипс 1983 Разрушение плотины из-за провала над карстовыми пустотами Павлов- 56 1966 Еще одним направлением работ является обоснование противокарстовых мероприятий. Они помогают снизить активность карстовых процессов, уменьшить или увеличить в необходимой степени деформации грунтовых толщ для стабилизации условий строительства, предотвратить повышенную фильтрацию и прорывы воды из карстовых полостей в подземные сооружения и горные выработки. Однако проведение детальных инженерно-геологических исследований на стадии проектирования сооружения не гарантирует полного объема информации о таких трудно прогнозируемых процессах, как карст. Поэтому в практике современного строительства широко используется метод активного проектирования противокарстовых мероприятий, который предусматривает получение дополнительной геологической информации уже на стадии строительства (после вскрытия строительного котлована) и оперативное внесение изменений в проект. В качестве примера приведем опыт проектирования противокарстовых мероприятий в основании оголовка донного водосброса-водовыпуска Юмагузинского гидроузла на реке Белой в Башкортостане. После корректировки проекта из-за увеличения реальной глубины закарстованности карбонатных пород было принято решение о проведении укрепительной цементации на глубину 20-30 м, забивке 20 железобетонных буронабивных свай диаметром 500 мм до глубины 20-44 м и создании дополнительных конструктивных элементов, опирающихся на слабо закарстованную часть массива. С эколого-геологических позиций поверхностный карст оценивается двояко. С одной стороны, он снижает комфортность проживания населения, приводит к сносу или переносу зданий и сооружений, затрудняет распашку земли и прокладку дорог, а с другой — создает неповторимые ландшафты, являющиеся местами отдыха и прогулок. В ряде случаев по характеру экологических последствий карст относится к опасным процессам, приводящим к человеческим жертвам. Но чаще, из-за медленного развития, его относят к процессам,опосредованно воздействующим на людей через деградацию существующих экосистем. Эти воздействия усиливаются деятельностью человека, в результате которой происходят изменения в окружающей среде. Достаточно сказать, что в целом мощность техногенных воздействий на природную среду удваивается каждые 14-15 лет. Не представляет собой исключения в этом отношении и карст. Энергия природных карстовых провалов составляет 108—1010 Дж, а энергия аналогичного техногенного процесса (обрушения выработанных пространств) практически соизмерима с ней и составляет 106 Дж. Неблагоприятные экологические последствия активизации карста отмечаются при разработке месторождений полезных ископаемых из-за изменения режима поверхностных и подземных вод. Они заключаются прежде всего в потере земельных угодий, так как значительные по площади участки полностью выводятся из сельскохозяйственного и промышленного пользования. Так, при отработке Николаевского карьера (Украина), где разрабатывались гипсы тортона, интенсивное развитие карста было вызвано прорывом в карьер реки Зубр — притока Днестра. Откачка воды из карьера вызвала снижение уровня грунтовых вод на 7. 7 м вблизи карьера и до 2-3 м на площади, измеряющейся многими квадратными километрами. С ростом водоотлива непрерывно увеличивалось количество провально-просадочных явлений (от 3 до 75 на 1 км2 в год). В результате было выведено из строя 20 га пахотных земель, деформировано полотно железной дороги, разрушен газопровод и деформированы опоры линий электропередач. месторождений Йоханнесбурга (ЮАР) в 1962-1969 гг. образовался ряд провальных воронок диаметром более 50 м и глубиной до 30 м. В одну из таких воронок провалился завод и погибли 29 человек, а в другую — жилой дом вместе с пятью жильцами. Экологические последствия проявления провальных процессов в пределах закарстованных массивов в городах носят негативный характер. Как правило, «спусковым механизмом» для активизации карста служит интенсивная откачка подземных вод с целью водоснабжения населения. В Москве снижение уровня касимовского водоносного горизонта на отдельных участках с 30-х гг. XX века до наших дней составило 14-21 м, а по некоторым данным — 20-30 м. Ситуацию усугубила откачка подземных вод в связи со строительством метрополитена. В итоге за последние 25 лет в северо-западной части Москвы в пределах закарстованных территорий были зарегистрированы 42 провальные воронки диаметром до 40 м и глубиной от 1. 5 до 8 м. В 1969 г. в результате карстового провала полностью разрушился 5-этажный жилой дом на Хорошевском шоссе, а в 1977 г. — еще два в Новохорошевском проезде. Благоустройство городов и использование асфальтового покрытия может привести к затуханию карстового процесса. По данным Дзержинской карстовой станции, с уменьшением инфильтрации атмосферных вод в массивы карстующихся сульфидных пород в г. Дзержинске в связи с застройкой и асфальтированием территории стало уменьшаться число карстовых провалов. Из 62 зарегистрированных провалов с 1935 по 1974 г. лишь несколько провалов произошло в пределах города. Таблица 3 Использование карстовых пещер в медицинских целях пещеры Местораспо- Лечение заболевания используется Клютерт Северная Вестфалия, Германия астма Стационарное лечение с 1949 Тюрингия, Германия Коклюш Мир г. Иошваре, Венгрия Органы дыхания 1954 Тавас Органы крово- обращения, органы дыхания Гамбасецкие Патология респи- раторного тракта 1954 Магура Болгария Бронхиальная астма 1950-е Белая Цхалтубо, Органы дыхания, сердечно-сосудис- Стационарное экосистема. Пещеры являются убежищем и местом обитания представителей животного мира. Например, в Смолинской карстовой пещере, расположенной в Свердловской области, созданы природные благоприятные условия (относительно постоянная плюсовая температура, высокая влажность воздуха, отсутствие сквозняков, наличие щелей и трещин) для зимовки редких видов летучих мышей, часть из которых занесена в Красную книгу Среднего Урала. Современная численность прудовой ночницы (Myotis dasycnemi Boei) зимой составляет более 950 особей, а водяной ночницы (Myotis daubentoni Ruhl) — более 40 особей. Зимвока прудовой ночницы в этой пещере является крупнейшей не только в России, но и во всей Европе. Другое позитивное экологическое значение карста связано со спелеотерапией — методом лечения людей путем длительного пребывания в условиях микроклимата карстовых пещер, соляных копей, гротов и шахт. Постоянство температуры и давления, газового и ионного состава воздуха, низкая относительная влажность, повышенная ионизация, преобладание отрицательно заряженных ионов, наличие аэрозолей тех или иных солей, отсутствие бактериальной флоры и аллергенов, несколько повышенное содержание углекислого газа оказывают позитивное воздействие на организм человека при лечении органов дыхания, кровообращения и сердечно-сосудистой системы. Некоторые примеры использования карстовых пещер в медицинских целях приведены в табл. 3. Таким образом, с одной стороны, карст оказывает неблагоприятное и даже опасное воздействие на окружающую среду и созданные человеком сооружения, в том числе объекты энергетики — электростанции, линии электропередачи, трубопроводы, но в то же время карст имеет и определенное положительное значение, поскольку карстовые пещеры могут использоваться в рекреационных и лечебных целях.